无磁钢D 晶粒度与力学性能相关性研究

马贵斌， 罗 瑞

(山西太钢不锈钢股份有限公司， 山西 太原 030003)

1 无磁钢D 晶粒度与力学性能相关性研究实验的背景

无磁钢D 是使用低碳高铬锰合金制成的，它是经过严格的化学成分配比后精炼并通过锻造而达到其机械性能，具有良好的低磁导率、高强度的机械性能、极好的晶间耐腐蚀开裂性能和优异的的耐磨性。由于所有磁性测量仪器在测量井眼的方向时，感应的是大地的磁场，因而测量仪器必须是一个无磁环境，然而在钻井过程中，钻具往往具有磁性，具有磁场，影响磁性测量仪器，不能得到正确的井眼轨迹信息数据，利用无磁钢钻铤可实施无磁环境，并且具有钻井中钻铤的特性。无磁钢D 的化学成分见表1，实物见图1。

表1 无磁钢D 的化学成分 %

图1 实物图片

无磁钢D 生产工艺：电炉冶炼—电渣重熔—径锻温锻—剥皮—检验—交库。

无磁钢D 冲击功不合问题一直是困扰我们生产组织和合同兑现的问题，鉴于此，课题组对炼钢工艺和锻造工艺进行排查，发现化学成分的变化对力学性能的影响较大，于是对不同成分的材料采用相同的锻造工艺进行实验，结合锻后材料的金相分析，寻找最佳的材料成分。

2 理论基础

金属是由许多晶粒组成的多晶体，晶粒的大小可以用单位体积内晶粒的数目来表示，数目越多，晶粒越细。实验表明，在常温下的细晶粒金属比粗晶粒金属有更高的强度、硬度、塑性和韧性。晶粒细化时，晶内空位数目与位错数目都减少，位错与空位、位错间的交互作用几率减小，位错易于运动，即塑性好。晶粒细小，裂纹穿过晶界进入相邻晶粒并改变方向的频率增加，消耗的能量增加，韧性增加[1]。

3 实验经过和实验结果

无磁钢D 具有良好的强度和韧性，首次生产成分A 按标准中限控制，成分见表2。

表2 成分A %

生产后力学性能数据见表3。

表3 成分A 对应性能数据

由表3 可以看出，屈服强度Rp0.2和抗拉强度Rm可以满足要求，但塑性指标断后伸长率A 略低于标准值，而韧性指标冲击功冲击功分别为42 J 和42.5 J，冲击功却远低于标准100 J，性能出现冲击性能低的问题。

为解决问题，课题组首先对锻造工艺等关键工艺进行排查，发现并无异常，说明韧性异常与锻造工艺无直接联系。

图2 径锻机温锻无磁钢D 图片

随后课题组又尝试通过热处理中温退火消除部分材料应力，在强度不大幅度降低情况下提高韧性。

进行了三种制度热处理试验，热处理后冲击功，见表4。

表4 热处理后冲击功

根据结果可以看出，三种中温退火温度下，韧性指标冲击功冲击功分别为62 J、76 J 和62 J，远低于标准100 J 要求，因此，初步判断简单的热处理不能改善韧性。

后来课题对该批材料进行了晶粒度分析，见图3。

图3 成分A 对应材料晶粒度2～4 级

分析后发现晶粒度为2～4 级，晶粒粗大有可能为韧性指标达不到要求的主要原因，为了印证这一猜想，课题组查阅相关资料，调整无磁钢D 的化学成分，决定通过细化晶粒来改善无磁钢D 的力学性能，优化后成分B 见表5。

表5 成分B %

图4 成分B 对应材料晶粒度5-7 级

锻造后对晶粒度进行分析，见图4，晶粒度为5-7 级，确实较之前有所细化。

然后课题组对该批材料进行了相应的力学性能检验，数据见表6。

表6 成分B 对应材料的力学性能

从表5 可以看出，经过晶粒细化以后，无磁钢D的力学性能得到极大改善，不仅抗拉强度Rm和屈服强度Rp0.2符合标准要求，而且断面伸长率A 也提高明细显，最关键的是韧性指标冲击功冲击功得到大幅提高，由原来的42J 和42.5J 提高到了168J 和275J，所有指标完美达到标准要求。

4 结语

在锻造工艺不变的前提下，通过成分调整，细化了无磁钢D 的晶粒，晶粒细化后，裂纹穿过晶界进入相邻晶粒并改变方向的频率增加，消耗的能量增加，韧性增加，冲击功大大提高。

通过工艺摸索，课题组选择最佳的成分成功解决了无磁钢D 冲击功不合的问题，同时为后续无磁钢产品的工艺优化积累了经验。